反物质合成和结构研究进展

作者：周胜

出处：论文网

时间：2004-08-13

摘    要    本文总结了现今世界反物质研究进展，提出了反物质研究的几个重要问题，从反物质结构上分析以后研究方向。

 

关 键 词    反物质    合成    结构    反质子    诱导

 

众所周知，人类现在正面临全面的能源危机。让我们看一看世界能源大会1995年版《能源资源调查》中关于1993年世界能源统计数据：

1煤炭：世界名国煤炭探明可采储量：烟煤、无烟煤519.4Gt，次烟煤197.1Gt，褐煤315.Gt，合计1031.6Gt。1993年年产量烟煤、无烟煤3.169Gt，次烟煤0.374Gt，褐煤0.931Gt，合计4.474Gt。储采比230年。

2石油：世界各国石油探明可采储量：原油138.3Gt，天燃气液2.4Gt，合计140.7Gt。1993年年产量3.197Gt，储采比44年。

3天然气：世界各国天然气探明可采储量14.1Tm3，1993年年产量0.2485Tm3，储采比57年。

4核能：世界各国铀矿探明储量3.67Mt，1993年年产量32171t。储采比114年。[1]

同时人类也在大力开发可再生能源如：太阳能、核聚变能等。但我们应该认识到，所有这些能量都可以用一个具体的数字来衡量，即它终究会耗尽，那么有没有真正的无穷能量呢？答案是肯定的，根据爱因思坦质能方程E=mc2,正反物质湮灭时将产生巨大的能量，且宇宙物质无法用数字来衡量。

 

 

顾名思义，反物质就是普通物质的反状态。物质由分子和原子组成，原子由带负电的电子和带正电的原子核组成，如果带正电的电子和带负电的原子核组成原子就是反原子，由反原子就可组成反物质。

反物质研究始于20世纪40年代后期，但进展极为缓慢。1995年钱姆伯林（Chamberbin）用加速器将质子加速到6Gev去轰击铜靶，生成物∏ˉ（介子）与质子比例为50000∶1。[2]

为进一步探索反物质之谜，科学家在实践上采取了两种途径，一是在自然界中寻找反物质，二是在实验室中制造反物质。

1997年4月，美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布，通过观测到在银河系上方约3500光年处高于可见光强25万倍的伽马射线间接证明了反物质源的存在。由于受大气干扰，地面上很难“捕捉”到反物质，因此科学家们把目光投向太空。为在太空寻找到反物质，1998年6月，美国“发现”号航天飞机带着由中国科学家制造的当代最先进的粒子物理传感仪：阿尔法磁碰议发射升空。2002年，它被送上国际空间站，进行更进一步的数据采集。

实验室制造反物质进展较快，1995年欧洲核子研究中心（The  European  Organization  for  Nuclear  Research ，简称CERN）的科学家们利用加速器将速度极高的反质子射流射向氚原子核产生正电子，正电子与反质子结合形成一个反氢原子，在15小时的实验中，共观测到9个反氢原子。但由于反氢原子处于正物质包围中，经历一亿分之三秒（3×10-8秒）后正、反物质发生湮灭。1996年美国费米国立加速器实验室成功制造了7个反氢原子。2000年9月18日欧洲核子研究中心在世界9个研究所，39名科学家的通力合作下宣布已成功制造出约5万个低能态的反氢原子，这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质，是反物质研究的“一个重要里程碑”。

 

2000年8月10日，欧洲核子研究中心宣布投入使用“反质子减速器”，科学家们从而更容易地制造出大量反物质原子。反质子减速器是一个圆形混凝土盒，周长188m，耗资1150万美元。它利用磁场将高能反质子和正电子冷却、减速和聚积，最终在电磁场束缚下形成大量反氢原子，这些“冷”反氢原子温度仅比绝对零度略高几度，为以后研究其特性提供可能。

由上述我们可以看出，要制造出大量反氢原子并进行研究必须解决三个最重要的问题，一、反质子、正电子的大量制备。二、反质子、正电子的减速冷却。三、反物质存储问题。

第一个问题：反质子的电荷、磁矩与质子反号，质量、寿命、自旋与质子相同，记为P。现在科学家们一般用速度接近光速的核子轰击靶核生成反质子。正电子由速度极高的反质子轰击氚核而产生，其反应截面相对较高，由此，正电子问题可转化为上面反质子的制备问题。

第二个问题：反质子和正电子的“冷却”。在正物质占绝对优势条件下，只有将反质子和正电子的速度降下来，才能获得较大的反应截面，在其发生湮灭前形成反氢原子。

反质子减速器通过与粒子流平行的强大磁场将粒子流束缚在一个较小区域，并用反向电场对反质子进行减速、探测、分离。正电子也可用这种方法进行“冷却”。

第三个问题：欧洲核子研究中心的科学家杰拉尔德·加夫列尔瑟领导的一个科研小组将反质子和正电子汇合在被称为“粒子陷阱”的结构中。由于等离子体可以保存在个有适当电磁场结构的“陷阱”中，并在德拜屏蔽长度λd（0.024－0.0024mm）限制下处于稳定状态。[3]      只不过要想存储更多的反物质，还要对“陷阱”作更进一步的研究。

为什么人们要合成反氢原子而不是直接利用反质子进行正反物质湮灭呢？因为原子更趋于稳定，有利于更深入地研究、存储及利用。反氢原子是构成所有反物质的基本粒子，在获得能量方面人们不用去合成更复杂的反物质，只要能够大批量地生产反氢原子，使其与氢原子湮灭则将获得无究的能量。目前，人类还不能得到反物质能量节余，其本质原因是只实现了能量到反物质的转变，如果实现了物质到反物质的转变，人类将会得到副余能量。我们由此想到了物质与反物质的差别即反物质结构研究，从而最终实现物质到反物质之间的转变。

 

2000年10月29日，在欧洲核子研究中心，由哈佛大学加布里埃尔斯教授领导的研究小组宣布首次成功研究了反物质内部结构和物理特性。他们通过反质子减速器制备出“冷”反氢原子，并用强电场对其进行“撒裂”，通过测量拆散反氢原子所需电场的大小就可以知道反氢原子内部反质子和正电之间结合的紧密程度，从而首见“瞥见”反氢原子内部状态。

科学家们一直认为在宇宙之初形成了等量的正物质和反物质，但今天我们的世界由正物质构成，这说明正、反物质在内部结构和物理特性上存在差异，如果能找到这

种差异则对于我们合成反物质和解释宇宙发展过程有着极为重大的作用。

那么正、反物质原子内部结构上是否真的一样呢？让我们先了解一下基本粒子。

基本粒子种类、数目如下表：

 

 

轻、重子是费密子，费密子和反费密子除电荷不同外，固有宇称也不同，故分开算。正、反介子电荷不同，但宇称相同，故只算一种。[2]       1956年Hofstadter发现质子、中子并不是物质世界的最基本粒子。质子电荷半径约为0.8fm,中子电荷半径约为0.34fm。从而引出了强子谱的研究，得出强子由夸克组成的假定。电子和核子的深度非弹散射（DIS）最终证实了核子内存在夸克。[4]

科学家们认为物质世界由夸克和轻子组成，四种相互作用则通过交换玻色子来完成。

科学家们用味来表征夸克特性，并通过夸克味自由度的发现得出夸克是构成其他粒子的基本概念。

距今，人们一共发现了6种夸号。

各参数如下表：

Q、电荷数              Iz、同位旋z分量

C、粲量子数            S、奇异量子数

T、顶量子数            B、底量子数

 

 

 

每个夸克所带重子数为1/3，并带一种色，每个夸克共有3色，类似电荷间相互作用，夸克间的相互作用依赖于夸克的色，通过交换胶子（由三代电子正电子对撞机研究发现[5]）夸克可以同带有其他任何色的夸克相互作用。

目前夸克相互作用基本理论由量子色动力学（QCD）描述。[6]

自旋为1 胶子是玻色子，理论上有9种胶子：色单态和色八重态，但色单态被证明不存在。

到目前为止，人们发现所有可观察到的独立强子态都是色单态，对色单态交换强子中的任何两个夸克都是完全反对称的，实验上，人们还未分离出任何色三重态描述的单个夸克，人们认为只能分离观察到处于色单态的强子，观察不到独立的单个夸克的事实也表明夸克和胶子间的相互作用在长程范围内一定是极强的。在实验方面还未分离出任何一个单个夸克，这使得人们认为夸克在强子中的大空间范围内的行为可以描述为囚禁在强子内。[7]

科学家们一般认为重子是唯象夸克模型：三夸克束缚态。这种理论已经成功解释了目前所知重子的所有性质。这引起我们对反质子、反中子的夸克模型的思考。若仅从电荷等一些基本参数考虑，可初步认为反质子、反中子由质子、中子所对应夸克的反夸克构过，这显然需要具体的实验数据来证实。在解释过程中我们还应当考虑反夸克间组合形式与夸克间组合形式的差别，不能单认为是反夸克即可。三代夸克间组合遵守一定的内在定律，只要人们找到这种定律。在外加条件下诱导其发生组合形成的转变。（这在现今夸克囚禁理论下被视为不可能，但我们应充满信心。）

 

前面已经提到，人类现在还只能实现能量到反物质的转变，离物质到反物质的转变还有很长一段距离。大统一理论预言存在质子的衰变：P→∏°+e+，衰变寿命为1032±2年，这使我们得到了物质到反物质转变的肯定答案，并且正在被中微子探测器所证实。[8]     这引起我们对较大核诱导变成反质子、反中子等基本反物质粒子的思考。当然我们应更多地认识到这种衰变所需的完善理论和实验证实，所以还应当从物质基本相互作用、组成形式等方面入手，一步一步走向成功。

                                                        结束语

      

反物质的巨大魔力正驱使着人类投入巨大的人力、物力去研究它，我们坚持人类将不在久的将来揭开反物质之谜。

欧洲核子研究中心正在建设世界上最大的加速器——强子对撞机。这一对撞机得到欧洲国家和美国、日本、俄罗斯等国家的支持，预计将于2005年建成投入使用，估计总耗资60亿美元。科学家们认为，随着一系列研究工具的投入使用和世界各国的通力合作，人类将真正获得反物质所带来的无穷能量。

 

 

 

 

 

[8]    何景棠 .物理学进展，2003.23（3）∶299—311